Présentation

Alors que la communauté mondiale intensifie sa recherche de sources d'énergie à faible intensité de carbone pouvant répondre à la demande d'électricité à charge de base, l'énergie nucléaire demeure une composante essentielle de la conversation. Alors que les réacteurs à eau légère classiques alimentés par de l'uranium enrichi dominent la flotte existante, un nombre croissant de recherches se penchent sur un cycle de combustible alternatif centré sur le thorium. Les réacteurs à base de thorium ont suscité un regain d'intérêt de la part des gouvernements, des institutions de recherche et des entreprises privées en raison de leur potentiel de fournir des marges de sûreté plus élevées, de réduire le fardeau des déchets radioactifs à longue durée de vie et de fournir un approvisionnement en combustible presque inépuisable.

Comprendre le thorium comme combustible nucléaire

Contrairement à l'uranium, qui contient l'isotope fissile U-235, le thorium existe presque entièrement sous forme d'isotope Th-232, qui n'est pas fissile. Cependant, le Th-232 est fertile : lorsqu'il absorbe un neutron, il se transmute en protactinium-233, puis se désintègre en uranium-233, un isotope fissile capable de maintenir une réaction en chaîne. Ce procédé, connu sous le nom de cycle du combustible du thorium, fait du thorium une ressource pratique pour l'énergie nucléaire, mais seulement lorsqu'il est utilisé dans un réacteur qui fournit une source de neutrons, généralement à partir d'une matière fissile de départ comme l'U-235, ou le plutonium.

Le cycle du thorium peut être utilisé soit dans un spectre de neutrons thermiques (supporté par un modérateur comme le graphite ou l'eau lourde) soit dans un spectre de neutrons rapides. Dans les conceptions du spectre thermique, l'efficacité de conversion de Th-232 à U-233, qui peut être très élevée, conduit à des rapports de reproduction théoriques proches de l'unité, ce qui signifie qu'un réacteur de thorium pourrait en principe produire presque autant de combustible fissile qu'il consomme, réduisant ainsi le besoin d'installations d'enrichissement ou de retraitement coûteuses.

Thorium vs Uranium: un aperçu comparatif

La différence fondamentale entre les deux cycles de combustible provient de leur composition isotopique et de leur économie de neutrons. Les réacteurs à uranium dépendent de la petite fraction de U-235 dans l'uranium naturel (0,7 %) et nécessitent souvent un enrichissement de 3 à 5 %.

  • Abondance: Les réserves de thorium sont largement réparties dans les sables monazitiques et autres minéraux, avec des dépôts importants en Inde, en Australie, au Brésil et aux États-Unis.
  • Profil des déchets: Le cycle du thorium produit un inventaire plus restreint des éléments transuraniques (plutonium, americium, curium) parce que les isotopes plus élevés sont produits en quantités beaucoup plus faibles.Les déchets primaires sont des produits de fission avec des demi-vies plus courtes, et U-233 lui-même peut être recyclé.
  • Risques de prolifération :[ L'U-233 produit dans les réacteurs au thorium est contaminé par l'U-232, un émetteur gamma puissant, ce qui rend la manipulation de l'U-233 extrêmement dangereuse et complique le détournement pour l'utilisation des armes.
  • Forme de combustible: Le dioxyde de thorium (ThO2) est une céramique très stable dont le point de fusion est plus élevé et la conductivité thermique plus faible que le dioxyde d'uranium (UO2). Il présente également une plus grande résistance chimique à la corrosion et aux dommages par rayonnement pendant de longues périodes de combustion.

Principes scientifiques des réacteurs à base de thorium

Pour comprendre le fonctionnement des réacteurs de thorium, il faut saisir le concept d'un convertisseur de ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

La plupart des réacteurs au thorium proposés fonctionnent dans un spectre de neutrons thermiques parce que la section transversale de capture de neutrons du Th-232 est plus élevée aux énergies thermiques que celle de l'U-238, l'isotope fertile des réacteurs à uranium. Cette capacité de reproduction thermique est unique; les réacteurs à sélection d'uranium nécessitent généralement un spectre de neutrons rapides.

Dans la pratique, un réacteur au thorium doit être conçu avec une source de neutrons (par exemple, l'uranium enrichi, le plutonium ou une source de spallation à accélérateur) pour lancer le cycle. Une fois établi, l'inventaire U-233 peut être recyclé, ce qui réduit les besoins en alimentation externe.

Les principales conceptions et leurs caractéristiques

Plusieurs projets de réacteurs ont été proposés ou testés pour l'utilisation du thorium, qui se répartissent en trois grandes catégories : réacteurs à combustible liquide (sel fondu), réacteurs à combustible solide (assemblages conventionnels de combustibles) et systèmes à accélérateur.

Réacteurs de sel fondu (RSM) et réacteur au fluorure liquide de thorium (RLF)

Le concept de réacteur au thorium le plus largement discuté est celui du réacteur au sel fondu, en particulier le réacteur au thorium liquide (LFTR). Dans un réacteur à vapeur, le combustible est dissous dans un mélange de sel au fluorure fondu (par exemple LiF-BeF2 ou NaF-ZrF4) qui circule dans le noyau du réacteur.

  • Exploitation sous basse pression:[ Les sels fondus à ~600–700°C ont des points d'ébullition élevés, de sorte que le réacteur peut fonctionner à une pression atmosphérique proche, réduisant ainsi le risque d'accident de perte de liquide de refroidissement.
  • Retraitement continu:[ Le combustible liquide peut être circulé par une unité de traitement chimique en ligne pour éliminer les produits de fission (surtout les poisons à neutrons comme le xénon-135) et extraire l'U-233 pour réintroduire.
  • Sécurité inhérente:[ Le réacteur a de fortes valeurs négatives de température et de coefficient de vide, et un bouchon de congélation situé au fond du noyau peut drainer le combustible dans un réservoir passif de décroissance-dégradation en cas de surchauffe.
  • L'élimination continue des produits de fission réduit la radiotoxicité à long terme de l'inventaire des combustibles, et les produits de fission eux-mêmes peuvent être stockés comme solides stables.

La conception de la LFTR utilise généralement une configuration à deux fluides : un sel de couverture contenant du Th-232 entourant un sel central contenant du U-233. Les neutrons qui fuient de la race U-233 de la couverture principale, qui est ensuite séparé et alimenté dans le noyau. Bien que les MSR expérimentales (l'expérience du réacteur à sel fondu au Laboratoire national d'Oak Ridge dans les années 1960) aient validé la physique de base, aucune LFTR commerciale n'a été construite.

Réacteurs thorium à combustible solide

Les concepts de réacteurs au thorium ne sont pas tous utilisés comme combustible liquide. Les concepts de combustibles solides utilisent des pellets de combustible ou des barres contenant de l'oxyde de thorium mélangé à de l'uranium enrichi ou du plutonium comme combustible -conducteur.

  • Réacteurs d'eau lourde sous pression (REPH) :[ Canada Les réacteurs CANDU, qui utilisent l'eau lourde comme modérateur, peuvent réaliser une économie élevée de neutrons et sont capables d'exploiter un combustible mixte thorium-uranium. L'Inde a réussi à irradier les faisceaux de thorium dans les réacteurs de type CANDU pour produire de l'U-233.
  • Réacteurs d'eau bouillante (REB) et réacteurs d'eau pressurisée (REP):[ On a testé le combustible mixte oxyde de thorium-plutonium dans des réacteurs à eau légère classiques, mais la pénalité neutronique (taux de modération plus faible) et les exigences d'enrichissement plus élevées le rendent moins attrayant que les modèles MSR.
  • Les réacteurs à haute température à gaz (HTGRs):[ Les conceptions à base de particules enduites ou à lit de galets peuvent utiliser le thorium dans le revêtement TRISO. La capacité de combustion élevée et les caractéristiques de sécurité des HTGR sont compatibles avec les carburants thorium, bien que le développement soit encore précoce.

Les réacteurs à combustible solide sont confrontés à des défis liés à la fabrication, au retraitement et à la nécessité de traiter le Pa-233 intermédiaire (qui absorbe les neutrons et peut réduire l'efficacité de reproduction).

Systèmes à accélérateur (SAD)

Dans un SDA, un faisceau de protons à haute énergie frappe une cible lourde (p. ex., plomb ou tungstène) pour produire une source de neutrons à éparpillement. Ces neutrons sont dirigés vers un ensemble sous-critique contenant du combustible thorium. Le système fonctionne sous l'état critique, ce qui signifie que la réaction en chaîne ne peut pas se maintenir sans le faisceau externe. Ceci offre une caractéristique de sécurité inhérente : si l'accélérateur est éteint, la réaction s'arrête. Le SDA peut être utilisé pour brûler des déchets nucléaires à longue durée de vie (actinides mineurs) tout en produisant simultanément U-233 du thorium. Des projets comme l'installation MYRRHA en Belgique explorent la technologie ADS, bien que le déploiement à grande échelle soit loin de plusieurs années.

Avantages des systèmes nucléaires à base de thorium

L'enthousiasme renouvelé pour le thorium est enraciné dans plusieurs avantages potentiels bien reconnus sur le cycle classique uranium-plutonium. Cependant, il est important de noter que ces avantages dépendent fortement de la conception spécifique du réacteur et de l'architecture du cycle du combustible.

Profils de sécurité améliorés

De nombreux réacteurs au thorium, en particulier les systèmes à sel fondu et à accélérateur, fonctionnent à basse pression et dépendent de l'élimination passive de la chaleur de décomposition. Les réacteurs à sel fondu éliminent le risque d'explosions d'hydrogène (comme cela s'est produit à Fukushima) parce qu'il n'y a pas d'eau dans le circuit primaire. Le combustible est déjà sous forme liquide, si la fusion du noyau telle que comprise dans les réacteurs à combustible solide ne s'applique pas.

Réduction des déchets radioactifs à longue durée de vie

Dans un réacteur à uranium classique, la capture de neutrons par U-238 entraîne l'accumulation d'isotopes de plutonium, d'americium et de curium, dont la demi-vie varie de centaines à dizaines de milliers d'années. Le cycle du thorium ne génère, en revanche, que des quantités traces de ces éléments. Les produits de fission eux-mêmes sont en grande partie les mêmes, mais la période de danger est déterminée par des isotopes à vie plus courte (p. ex., le strontium-90 et le césium-137 se décomposent en niveaux inoffensifs en quelques siècles). De plus, le petit volume d'actinides provenant d'un cycle du thorium peut être plus propice à la transmutation ou à l'élimination géologique profonde.

Abondant source de combustible et résistance à la prolifération

Le thorium est beaucoup plus abondant que l'uranium, avec des ressources récupérables estimées à plusieurs millions de tonnes. De nombreux pays ayant des réserves limitées d'uranium (par exemple l'Inde, qui possède les plus grands gisements de thorium au monde) considèrent le thorium comme un atout stratégique en matière de sécurité énergétique. Du point de vue de la non-prolifération, le cycle du thorium est notamment plus résistant à l'armement.

Défis et obstacles à la commercialisation

Malgré ses avantages théoriques irréfutables, la technologie du thorium n'a pas encore atteint sa viabilité commerciale. Il faut surmonter plusieurs obstacles techniques, économiques et réglementaires interdépendants avant de pouvoir déployer des réacteurs de thorium à l'échelle.

Défis techniques et matériels

Les sels de fluorure de fusion sont chimiquement agressifs, surtout à haute température et sous irradiation. Les superalliages et le graphite à base de nickel ont été testés, mais les performances à long terme dans un environnement de réacteur ne sont pas prouvées. La manipulation du protactinium-233 (demi-vie ~27 jours) est également problématique : il faut le retirer du réacteur pour empêcher l'absorption de neutrons, mais son traitement nécessite des installations à cellules chaudes et ajoute de la complexité au cycle du combustible.

Pour les réacteurs à combustible solide, la fabrication de granulés de combustible à base de thorium pose des défis en raison de la température de combustion élevée (environ 1700°C) et de la faible conductivité thermique du ThO2 par rapport à l'UO2. Le retraitement du combustible irradié du thorium est plus difficile que celui de l'uranium en raison de la stabilité chimique du ThO2 et de la présence de Pa-233 et U-233. Les usines de retraitement commercial existantes sont conçues pour le cycle uranium-plutonium et la mise à niveau du thorium serait coûteuse.

Obstacles à l'économie et à l'infrastructure

Le passage à un cycle du thorium nécessiterait la construction de nouvelles usines de fabrication de combustible, d'installations de retraitement et, pour les réacteurs à combustible liquide, d'un cadre réglementaire différent pour les RSM. Le coût initial en capital d'un réacteur à thorium de première nature devrait être plus élevé que pour un modèle de RML établi, en raison de la nécessité de mener des recherches approfondies, de faire des démonstrations et de délivrer des licences.

Une autre considération économique est la nécessité d'une matière fissiles de départ. Même dans un sélectionneur de thorium, le premier noyau doit contenir de l'U-235 ou du plutonium pour déclencher la réaction en chaîne.

Le paysage réglementaire et l'octroi de licences

Les règlements nucléaires en vigueur dans la plupart des pays sont rédigés pour les réacteurs à combustible solide à eau légère. Les réacteurs à sel fondu, avec leur combustible liquide, leur retraitement continu et leur ravitaillement en ligne, ne s'inscrivent pas clairement dans les catégories actuelles de permis. La Commission de réglementation nucléaire des États-Unis, par exemple, n'a commencé que récemment à élaborer un cadre pour les réacteurs non à eau légère.

Initiatives mondiales et projets pilotes actuels

Plusieurs pays poursuivent activement la recherche et le développement de réacteurs au thorium, souvent avec des installations expérimentales à petite échelle ou des programmes financés par l'État.

  • Inde: L'Inde a le programme de thorium le plus ambitieux, alimenté par ses grandes réserves de thorium et ses réserves limitées en uranium. Le Département indien de l'énergie atomique a élaboré un plan en trois étapes : (1) utiliser les PHWR pour produire du plutonium; (2) utiliser du plutonium pour alimenter les réacteurs d'élevage rapide et produire de l'U-233 à partir du thorium; (3) déployer des réacteurs d'eau lourde avancés (AHWR) fonctionnant sur un cycle de thorium-U-233.
  • Chine: La Chine a lancé un effort concerté pour développer la technologie des réacteurs à sel fondu. L'Institut de physique appliquée de Shanghai (SINAP) construit un réacteur expérimental à sel fondu de 2 MWt (TMSR-LF1) dans la province de Gansu, qui devrait être opérationnel à la fin des années 2020. L'objectif à long terme est une démonstration de 100 MWe MSR d'ici 2035. La Chine soutient également des expériences de thorium à combustible solide dans son réacteur rapide expérimental.
  • Norvège: Thor Energy, une société norvégienne privée, a effectué des essais d'irradiation du combustible mixte oxyde de thorium-plutonium dans le réacteur de recherche Halden. Leurs travaux visent à démontrer la faisabilité du combustible thorium dans les réacteurs à combustion sans modifications majeures.
  • États-Unis: Des sociétés privées comme TerraPower (avec son réacteur à chlore fondu rapide), Moltex Energy (avec un réacteur stable à sel) et d'autres cherchent à obtenir des autorisations.Le département de l'Énergie des États-Unis a accordé des subventions à parts de coûts pour les démonstrations de réacteurs avancés, bien que certains projets de thorium n'aient pas encore été sélectionnés pour un déploiement à grande échelle.
  • International: L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) gère un réseau de coordination du cycle du combustible thorium et publie des rapports techniques sur le thorium. Le Forum international de la génération IV comprend parmi ses projets candidats des réacteurs à sel fondu et des réacteurs rapides refroidis au gaz, les combustibles thorium étant considérés comme des options.

L'avenir du thorium dans le mélange énergétique mondial

Étant donné qu'aucun réacteur à puissance thorium n'a jamais fonctionné et que les projets de construction nucléaire dans le monde entier sont confrontés à des dépassements de coûts et à des retards, il est raisonnable de s'attendre à ce que le thorium ne contribue pas de façon substantielle à la production d'électricité avant 2040-2050, sauf peut-être dans des applications de niche telles que l'énergie à distance ou la chaleur de procédé.

Les pays qui possèdent de grandes réserves de thorium (Inde, Brésil, Australie) peuvent considérer le thorium comme un moyen de réduire la dépendance à l'égard des importations. À mesure que les prix de l'uranium finissent par augmenter et que les contraintes en matière de carbone se durcissent, l'argument économique pour l'élevage du thorium peut s'améliorer. De plus, si l'industrie peut démontrer un prototype satisfaisant de MSR avec des caractéristiques de sûreté passive et la réduction des déchets, l'acceptation du nucléaire par le public pourrait être renforcée.

Des approches intégrées, comme le couplage des réacteurs de thorium avec des usines de dessalement, la production d'hydrogène ou la chaleur industrielle, pourraient fournir des flux de revenus précoces et justifier des projets pilotes.

Conclusion

Les réacteurs à base de thorium offrent une vision convaincante de la prochaine génération d'énergie nucléaire : plus sûre, plus propre et plus durable que les cycles d'uranium actuels. La physique et la chimie fondamentales sont bien établies, et les avantages potentiels – sécurité accrue, réduction des déchets, abondance de combustible et résistance à la prolifération – sont réels, bien qu'ils dépendent de la conception de réacteurs spécifiques et des choix de cycle du combustible.

La recherche et les projets pilotes en cours, en particulier en Inde et en Chine, jettent les bases d'un déploiement éventuel.Le succès de ces initiatives dépend d'une volonté politique soutenue, de l'innovation dans les sciences des matériaux et le retraitement, et d'un environnement réglementaire qui peut accueillir de nouvelles architectures de réacteurs.Pour les planificateurs énergétiques, le thorium demeure une option prometteuse à long terme, mais non une puce d'argent à court terme.